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Bike: KTM 125 LC2 Bj. '97

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1

Samstag, 19. Februar 2005, 15:50

Mathe - Wachstum - DGL

Hab gerade ein bisschen rumgespielt und bin dabei auf ein Problem gestoßen.

Angenommen, man hat einen Bestand a, der sich in einer Zeiteinheit t um 10% vermehrt und den man mit der folgenden Funktion beschreiben kann:
f(t)=a*1,01^t

Will ich jetzt den Zuwachs beschreiben, nutze ich folgende DGL:
f'(t)=0,1*f(t)

Eine Lösung dieser DGL wäre:
f(t)=a*e^(0,1*t)

Daraus folgt:
a*1,01^t=a*e^(0,1*t)

und
0,01=e^(0,1)

Diese Gleichung ist jedoch falsch. Wer kann mir das erklären?
" Ein Mensch sollte nie mehr Staub aufwirbeln, als er bereit ist zu schlucken "
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Tutti

unregistriert

2

Samstag, 19. Februar 2005, 15:58

Die Lösung die oben angegeben ist (also 0.1^t) ist KEINE Lösung zu der DGL, die du angegeben hast.
f(t)=a*e^(0,1*t)
mit einer beliebigen konstanten a (anfangsbeindung)
ist die allgemeine Lösung für die DGL, es gibt keine andere.


Zum anderen
du kannst net einfach die a rauskürzen, da das 2 verschiedene konstanten wären (nur zufällig gleich benannt), würde aber nichts daran ändern, das das nicht passt.
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Bike: KTM 125 LC2 Bj. '97

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3

Samstag, 19. Februar 2005, 16:15

Ja, die erste Funktion ist keine Lösung der DGL. Es geht mir ja nur darum:

Angenommen ich habe 1000 Mäuse, die sich pro Stunde um 30 Prozent vermehren. Dann könnte ich den Bestand doch durch folgende Funktion ausdrücken:
f(1)=1000*1,3=1000*1,3^1
f(2)=1000*1,3^1*1,3=1000*1,3^2
f(3)=1000*1,3^2*1,3=1000*1,3^3

f(t)=1000*1,3^t


Andererseits könnte ich den momentanen Zuwachs, unabhängig von obiger Überlegung so ausdrücken:
f'(t)=0,3*f(t)


Die obige Funktion passt jetzt jedoch nicht zur unteren DGL, wie kommt das?
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Tutti

unregistriert

4

Samstag, 19. Februar 2005, 16:18

Achja noch die Erklärung warum das nicht klappt:

Die Prop. Konstante für das Wachstum ist gerade die Wachstumsdauer.
Das bedeutet:
Die Proportioalitätskonstante gibt gerade die inverse Zeit an, wo dein Wachstum den Faktor e hat.
Du musst alsoeine andere DGL aufstellen.
Wenn du das oben berücksichtigst, dann musst die Prop Konstante lauten:
ln(1.1)
so und dann passt es auch

f(t) = a*e^[t*ln(1,1)]
= a*e^[ln(1,1^t)]
= a*1,1^t
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5

Sonntag, 20. Februar 2005, 21:03

Okay, ich hab das soweit verstanden. Irgendetwas ist mir aber immer noch unklar:

Wenn ich jetzt ein großes Becken habe, welches 150m³ fasst und aus dem pro Minute 0,2% der gerade im Becken vorhandenen Wassermenge abfließen, dann kann ich die Wassermenge durch die Funktion:

f(t)=150*0,998^t
bzw.
f(t)=150*e^(ln(0,998)*t)
mit der DGL:
f'(t)=ln(0,998)*f(t)

beschreiben. Somit ist k=ln(0,998) und nicht 0,002!



Jetzt habe ich aber ne ABI Aufgabe gefunden, die folgendermaßen lautet:

Ein Becken mit 150m³ Fassungsvermögen. Pro Minute fließen 250 Liter Wasser in den Teich. Gleichzeitig fließen 0,2% der gerade im Teich vorhandenen Wassermenge wieder ab.
In der Lösung zu der Aufgabe wird nun folgende DGL angegeben:
f'(t)=0,25-0,002*f(t)=0,002(125-f(t))
Ist also beschränktes Wachstum mit der Grenze 125 (m³) und k=0,002.

Ich verstehe jetzt nicht, wieso ich auf einmal beim beschränkten Wachstum für k nicht mehr ln(0,998) verwenden muss, sondern 0,002.

Will ich die DGL interpretieren finde ich es logischer für k den Wert 0,002 zu benutzen (Wie es bei der obigen Lösung des beschränkten Wachstums auch gemacht wurde), andererseits erkenne ich auch, dass ich beim exponentiellen Wachstum für k=ln(0,998) verwenden muss, damit das Wachstum richtig beschrieben ist.

Ich hoffe du verstehst, was ich meine :daumen:
" Ein Mensch sollte nie mehr Staub aufwirbeln, als er bereit ist zu schlucken "

Dieser Beitrag wurde bereits 2 mal editiert, zuletzt von »Tristan« (20. Februar 2005, 21:05)

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Tutti

unregistriert

6

Sonntag, 20. Februar 2005, 22:28

hmm so ganz kann ich es mir auch nicht erklären.
Ich habnur ne Vermutung.
Daher nochmal genauer meine Überlegung zu dem Faktor im Exponenten:

Wenn du ein Wachstum hast.
dann ist die Änderung sicherlich proportional zur Zeit und zur Menge der schon vorhandenen. Es kann aber von nichts anderem Abhängen.

also
dN ~ N dt
als Proportionalitätskonstante führt man zB ein k ein.
im allgemeinen führt man bei erniedrigung ein -k ein, da es ja abnimmt.

also
dN = k*N*dt
bzw
N' = k*N
Lösen kann man das durch Trennung der variablen
also
N(t) = N_0*e^k*t
so jetzt kann man sehen, woher diese Konstante k kommt, bzw was sie aussagt.
Man weiß zB eine Angabe nach t = 1min wöchst es um 10%
also
1,1*N_0 = N_0 e^k*1min
daran kann man ablesen
k = ln(1.1) / min
Anderes Beispiel
Radioaktiver Zerfall
da gilt
N(t) = N_0 e^-lambda*t
normalerweise gibt man zB beim radioaktiven Fall die Zerfallskonstante lambda in Einheit [1/s] an.
wobei gilt
lambda = 1/tau
und tau ist gerade die Zeit, wo die Anzahl der vorhandenen Kerne auf
1/e abgefallen ist.
Wenn man aber die Halbwertszeit (also die Zeit, wo nur noch die Hälfte vornhadnen ist) haben will
so bekannt man
lambda = ln(2) / tau
wie man leicht sehen kann.

Dadurch kommt immer dieser Faktor ln rein.
Allgemein kann man also für diese Proportionalitätskonstante sagen
N(t) = N_0 e^k*t
wenn
-r : faktor, auf den das abgefallen ist
-tau : Zeit, die dafür benötigt ist
sagen
k = ln(r) / tau
du hast halt hier immer nur eine Zeiteinheit, daher ist bei dir immer
k = ln(r)

So in deinem Fall ist es ein Abfall um 0.2%.
hier sollte man immer ansetzen.
dN = -k*N*dt
also
N(t) = N_0 e^(-k*t)
dafür folgt
-k = ln(0.998)

so jetzt fliesst aber noch 0.25 liter wasser rein pro dieser zeiteinheit
also
dN = [0.25+ln(0.998)N]dt = ln(0.998)[0.25/ln(.998)+N]*dt
Respektive
N(t) = 0.25/ln(0.998)*[e^(ln(0.998)*t)-1]

Für die DGL die du hast ergibt sich
N(t) = 125*[1-e^(-0.002*t)]

Auf den ersten Blcik unterschiedlch, wenn man aber mal ln(0.998) ausrechnet, dann kommt da
ln(0.998) ungefähr = -0.002002
raus
also ne korrektur im promill Bereich, wenn du das oben mal
ln(0.998) = -0.002 einsetzt kommst du auf die exakt gleiche Lösung.
Auch im Plot unterscheiden die sich eigentlich gar nicht.


Ich weiß jetzt nicht genau, warum die das so gemacht haben.
Aber meine Vermutung ist, dass die
ln(0.998) = 0.002 gesetzt haben, weil es so logischer klingt und keine gravierenden Unterschiede sind.
Ist meiner Meinung nach aber nicht ganz korrekt.

So ich hoffe das stimmt. Hab lange dran überlegt muss ich zugeben *G*

Falls du meinen FOrmeln net folgen kannst, kann ich das gerne mal sauber aufschreiben, ich gebe zu, so kann man nicht so ganz gut folgen.
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Bike: KTM 125 LC2 Bj. '97

Wohnort: Karlsruhe

7

Sonntag, 20. Februar 2005, 23:55

Zitat

Original von Tutti
[...]
Auf den ersten Blcik unterschiedlch, wenn man aber mal ln(0.998) ausrechnet, dann kommt da
ln(0.998) ungefähr = -0.002002
raus
also ne korrektur im promill Bereich, wenn du das oben mal
ln(0.998) = -0.002 einsetzt kommst du auf die exakt gleiche Lösung.
Auch im Plot unterscheiden die sich eigentlich gar nicht.


Ich weiß jetzt nicht genau, warum die das so gemacht haben.
Aber meine Vermutung ist, dass die
ln(0.998) = 0.002 gesetzt haben, weil es so logischer klingt und keine gravierenden Unterschiede sind.
Ist meiner Meinung nach aber nicht ganz korrekt.
[...]



Ich kann dem Ganzen schon gut folgen.
Man rechnet in der Schule meistens mit solch kleinen Prozentzahlen, da unterscheiden sich die verschiedenen Werte dann wirklich kaum. Aber sobald man sich Zuhause selbst mal was ausrechnen will und sich der Teil vergrößert, gibt es auch dementsprechende Abweichungen.


Ich habe heute Abend nochmal intentiv über das Ganze nachgedacht und bin auf die folgende Idee gekommen:

Da man bei Wachstumsaufgaben meistens mit dem Bestand rechnet, hat man meistens Folgen zu tun, d.h. man setzt für die Variable im Prinzip nur ganze Zahlen ein.
Ist in einer Aufgabe der momentane Zuwachs durch eine Prozentzahl gegeben, so entspricht dieser Zuwachs nicht dem momentanen Zuwachs bei x, sondern dem mittleren Zuwachs von x bis zu x+1.
Benutzt man hingegen eine DGL um den Zuwachs zu beschreiben, so beschreibt man nicht den mittleren Zuwachs von x bis x+1, sondern den momentanen Zuwachs bei x.

Hat die Kurve eine geringe Steigung, entspricht die mittlere Steigung von x bis x+1 fast genau der momentanen Steigung bei x. Dies erklärt, warum ln(0,998) ziemlich genau -0,002 ist.

Sobald man jetzt aber größere Prozentzahlen einsetzt, werden auch die Abweichungen größer, z.B. 40% -> ln(0,6)=-0,51 ~ -0,4


Mir ist wahrscheinlich schwer zu folgen, da mir unter anderem ein geeignetes Fachvokabular fehlt, um mich korrekt auszudrücken. Ich werde morgen mal eine Zeichnung machen, um meine Idee zu veranschaulichen.
" Ein Mensch sollte nie mehr Staub aufwirbeln, als er bereit ist zu schlucken "

Dieser Beitrag wurde bereits 1 mal editiert, zuletzt von »Tristan« (20. Februar 2005, 23:55)

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